Een nieuwe studie geeft de meest nauwkeurige schatting van de frequentie waarmee planeten die qua grootte en afstand tot hun moederster vergelijkbaar zijn met de aarde, voorkomen rond sterren die vergelijkbaar zijn met onze zon. Het kennen van de snelheid waarmee deze potentieel bewoonbare planeten voorkomen, zal belangrijk zijn voor het ontwerpen van toekomstige astronomische missies om nabijgelegen rotsachtige planeten rond zonachtige sterren die leven zouden kunnen ondersteunen, te karakteriseren. Een paper waarin het model wordt beschreven, verschijnt op 14 augustus, 2019 in The Astronomisch tijdschrift .

Duizenden planeten zijn ontdekt door NASA's Kepler-ruimtetelescoop. Kepler, die in 2009 werd gelanceerd en in 2018 door NASA werd stopgezet toen het zijn brandstofvoorraad opraakte, honderdduizenden sterren waargenomen en planeten buiten ons zonnestelsel geïdentificeerd - exoplaneten - door transitgebeurtenissen te documenteren. Transits-gebeurtenissen vinden plaats wanneer de baan van een planeet tussen zijn ster en de telescoop passeert, het blokkeren van een deel van het licht van de ster, zodat het lijkt te dimmen. Door de hoeveelheid dimming en de duur tussen transits te meten en informatie over de eigenschappen van de ster te gebruiken, karakteriseren astronomen de grootte van de planeet en de afstand tussen de planeet en zijn moederster.

"Kepler ontdekte planeten met een grote verscheidenheid aan afmetingen, composities en banen, " zei Eric B. Ford, hoogleraar astronomie en astrofysica aan Penn State en een van de leiders van het onderzoeksteam. "We willen die ontdekkingen gebruiken om ons begrip van planeetvorming te verbeteren en om toekomstige missies te plannen om naar planeten te zoeken die mogelijk bewoonbaar zijn. het simpelweg tellen van exoplaneten van een bepaalde grootte of baanafstand is misleidend, omdat het veel moeilijker is om kleine planeten ver van hun ster te vinden dan om grote planeten dicht bij hun ster te vinden."

Om die hindernis te overwinnen, de onderzoekers ontwierpen een nieuwe methode om de frequentie van voorkomen van planeten over een breed scala van groottes en baanafstanden af ​​te leiden. Het nieuwe model simuleert 'universums' van sterren en planeten en 'waarneemt' vervolgens deze gesimuleerde universums om te bepalen hoeveel van de planeten door Kepler in elk 'universum' zouden zijn ontdekt.

"We hebben de definitieve catalogus van door Kepler geïdentificeerde planeten en verbeterde stereigenschappen van het Gaia-ruimtevaartuig van de European Space Agency gebruikt om onze simulaties te bouwen, " zei Danley Hsu, een afgestudeerde student aan Penn State en de eerste auteur van het papier. "Door de resultaten te vergelijken met de planeten die door Kepler zijn gecatalogiseerd, we hebben de snelheid van planeten per ster gekarakteriseerd en hoe dat afhangt van de grootte van de planeet en de baanafstand. Onze nieuwe aanpak stelde het team in staat om rekening te houden met verschillende effecten die niet zijn opgenomen in eerdere onderzoeken."

De resultaten van deze studie zijn met name relevant voor het plannen van toekomstige ruimtemissies om potentieel aardachtige planeten te karakteriseren. Terwijl de Kepler-missie duizenden kleine planeten ontdekte, de meeste zijn zo ver weg dat het voor astronomen moeilijk is om details over hun samenstelling en atmosfeer te leren.

"Wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in het zoeken naar biomarkers - moleculen die wijzen op leven - in de atmosferen van ongeveer aardse planeten die in de 'bewoonbare zone' van zonachtige sterren draaien, " zei Ford. "De bewoonbare zone is een reeks baanafstanden waarop de planeten vloeibaar water op hun oppervlak zouden kunnen ondersteunen. Om te zoeken naar bewijs van leven op planeten ter grootte van de aarde in de bewoonbare zone van zonachtige sterren, is een grote nieuwe ruimtemissie nodig."

Hoe groot die missie moet zijn, hangt af van de overvloed aan planeten ter grootte van de aarde. NASA en de National Academies of Science onderzoeken momenteel missieconcepten die aanzienlijk verschillen in grootte en hun mogelijkheden. Als planeten ter grootte van de aarde zeldzaam zijn, dan zijn de dichtstbijzijnde aardachtige planeten verder weg en een grote, Er zal een ambitieuze missie nodig zijn om te zoeken naar bewijs van leven op mogelijk aardachtige planeten. Anderzijds, als planeten ter grootte van de aarde veel voorkomen, dan zullen er exoplaneten ter grootte van de aarde zijn die rond sterren draaien die dicht bij de zon staan ​​en een relatief klein observatorium kan hun atmosferen bestuderen.

"Hoewel de meeste sterren die Kepler heeft waargenomen zich doorgaans duizenden lichtjaren van de zon bevinden, Kepler heeft een monster van sterren waargenomen dat groot genoeg is om een ​​rigoureuze statistische analyse uit te voeren om de snelheid van planeten ter grootte van de aarde in de bewoonbare zone van nabije zonachtige sterren te schatten." zei Hsu.

Op basis van hun simulaties, de onderzoekers schatten dat planeten heel dicht bij de aarde in grootte, van driekwart tot anderhalf keer zo groot als de aarde, met omlooptijden variërend van 237 tot 500 dagen, komen voor bij ongeveer een op de vier sterren. belangrijk, hun model kwantificeert de onzekerheid in die schatting. Ze bevelen aan dat toekomstige planeetzoekmissies plannen voor een werkelijke snelheid die varieert van zo laag ongeveer één planeet voor elke 33 sterren tot zo hoog als bijna één planeet voor elke twee sterren.

"Weten hoe vaak we planeten van een bepaalde grootte en omlooptijd moeten verwachten, is uiterst nuttig voor het optimaliseren van onderzoeken naar exoplaneten en het ontwerpen van aanstaande ruimtemissies om hun kans op succes te maximaliseren, " zei Ford. "Penn State is een leider in het toepassen van state-of-the-art statistische en computationele methoden voor de analyse van astronomische waarnemingen om dit soort vragen te beantwoorden. Ons Institute for CyberScience (ICS) en Center for Astrostatistics (CASt) zorgen voor infrastructuur en ondersteuning die dit soort projecten mogelijk maken."

Het Center for Exoplanets and Habitable Worlds in Penn State omvat docenten en studenten die betrokken zijn bij het volledige spectrum van extrasolar-planeetonderzoek. Een team van Penn State heeft de Habitable Zone Planet Finder gebouwd, een instrument om te zoeken naar planeten met een lage massa rond koele sterren, die onlangs met wetenschappelijke operaties begon bij de Hobby-Eberly Telescope, waarvan Penn State een van de oprichters is. Een tweede door Penn State gebouwde spectrograaf wordt getest voordat het een aanvullend onderzoek begint om de massa's van planeten met een lage massa rond zonachtige sterren te ontdekken en te meten. Deze studie maakt voorspellingen voor wat dergelijke planeetonderzoeken zullen vinden en zal helpen om context te bieden voor het interpreteren van hun resultaten.

Naast Ford en Hsu, het onderzoeksteam omvat Darin Ragozzine en Keir Ashby van de Brigham Young University. Het onderzoek werd ondersteund door NASA; de Amerikaanse National Science Foundation (NSF); en het Eberly College of Science, de afdeling Astronomie en Astrofysica, het Centrum voor Exoplaneten en Bewoonbare Werelden, en het Centrum voor Astrostatistiek in Penn State. Geavanceerde computerbronnen en -diensten werden geleverd door het Penn State Institute for CyberScience, waaronder het door NSF gefinancierde CyberLAMP-cluster.